| Lektionsplanering för läsåret | Huvudstadier av modellering

Lektion 2
Huvudstadier av modellering

Genom att studera detta ämne kommer du att lära dig:

Vad är modellering;
- vad kan fungera som en prototyp för modellering;
- vilken plats har modellering i mänsklig aktivitet;
- vilka är huvudstadierna av modellering;
- vad är en datormodell;
Vad är ett datorexperiment.

datorexperiment

För att ge liv åt nya designutvecklingar, för att introducera nya tekniska lösningar i produktionen eller för att testa nya idéer behövs ett experiment. Ett experiment är ett experiment som utförs med ett objekt eller en modell. Det består i att utföra vissa åtgärder och bestämma hur det experimentella provet reagerar på dessa åtgärder.

I skolan genomför du experiment i lektionerna biologi, kemi, fysik, geografi.

Experiment genomförs när man testar nya produktprover på företag. Vanligtvis används en specialdesignad uppställning för detta ändamål, vilket gör det möjligt att genomföra ett experiment i laboratorieförhållanden, eller så utsätts den verkliga produkten i sig för alla typer av tester (ett fullskaligt experiment). För att till exempel studera en enhets eller sammansättnings prestandaegenskaper placeras den i en termostat, fryses in i speciella kammare, testas på vibrationsstativ, tappas etc. Det är bra om det är en ny klocka eller en dammsugare - förlusten under förstörelsen är inte stor. Tänk om det är ett flygplan eller en raket?

Laboratorie- och fullskaliga experiment kräver stora materialkostnader och tid, men deras betydelse är ändå mycket stor.

Med utvecklingen av datorteknik har en ny unik forskningsmetod dykt upp - ett datorexperiment. I många fall har datorsimuleringsstudier kommit för att hjälpa, och ibland även för att ersätta, experimentella prover och testbänkar. Stadiet för att genomföra ett datorexperiment omfattar två steg: att upprätta en experimentplan och att genomföra en studie.

Experimentplan

Experimentplanen ska tydligt återspegla arbetssekvensen med modellen. Det första steget i en sådan plan är alltid att testa modellen.

Testning är processen för att kontrollera riktigheten av den konstruerade modellen.

Test - en uppsättning initiala data som låter dig bestämma riktigheten av modellens konstruktion.

För att vara säker på riktigheten av de erhållna modelleringsresultaten är det nödvändigt: ♦ att kontrollera den utvecklade algoritmen för att bygga modellen; ♦ se till att den konstruerade modellen korrekt återspeglar originalets egenskaper, vilka beaktades i simuleringen.

För att kontrollera riktigheten av modellkonstruktionsalgoritmen används en testuppsättning med initiala data, för vilka det slutliga resultatet är känt i förväg eller förutbestämt på annat sätt.

Till exempel, om du använder beräkningsformler i modellering, måste du välja flera alternativ för initialdata och beräkna dem "manuellt". Dessa är testobjekt. När modellen är byggd testar man med samma indata och jämför resultatet av simuleringen med slutsatserna som erhållits genom beräkning. Om resultaten matchar, utvecklas algoritmen korrekt, om inte är det nödvändigt att leta efter och eliminera orsaken till deras avvikelse. Testdata kanske inte alls speglar den verkliga situationen och kanske inte innehåller semantiskt innehåll. De resultat som erhålls under testprocessen kan dock få dig att tänka på att ändra den ursprungliga informations- eller teckenmodellen, främst i den del av den där det semantiska innehållet är fastställt.

För att säkerställa att den konstruerade modellen återspeglar originalets egenskaper, som beaktades i simuleringen, är det nödvändigt att välja ett testexempel med verkliga källdata.

Forskar

Efter testning, när du har förtroende för riktigheten av den konstruerade modellen, kan du gå direkt till studien.

Planen bör innehålla ett experiment eller en serie experiment som uppfyller målen för simuleringen. Varje experiment måste åtföljas av en förståelse för resultaten, som fungerar som grund för att analysera resultaten av modellering och fatta beslut.

Schemat för att förbereda och genomföra ett datorexperiment visas i figur 11.7.

Ris. 11.7. Schema för ett datorexperiment

Analys av simuleringsresultat

Det slutliga målet med modellering är att fatta ett beslut, som bör utvecklas utifrån en omfattande analys av simuleringsresultaten. Detta skede är avgörande - antingen fortsätter du studien, eller avslutar. Figur 11.2 visar att resultatanalysfasen inte kan existera autonomt. De slutsatser som erhålls bidrar ofta till ytterligare en serie experiment, och ibland till en förändring av problemet.

Resultaten av tester och experiment ligger till grund för att utveckla en lösning. Om resultaten inte stämmer överens med målen för uppgiften betyder det att misstag gjordes i tidigare skeden. Detta kan antingen vara en felaktig uppgift om problemet, eller en alltför förenklad konstruktion av en informationsmodell, eller ett misslyckat val av modelleringsmetod eller miljö, eller ett brott mot tekniska metoder när man bygger en modell. Om sådana fel identifieras måste modellen korrigeras, det vill säga en återgång till ett av de tidigare stegen. Processen upprepas tills resultaten av experimentet uppfyller målen för simuleringen.

Det viktigaste att komma ihåg är att det upptäckta felet också är resultatet. Som ordspråket säger, man lär sig av sina misstag. Den store ryska poeten A. S. Pushkin skrev också om detta:

Åh, så många underbara upptäckter vi har
Förbered upplysningsanda
Och erfarenhet, son till svåra misstag,
Och geni, paradoxer vän,
Och slumpen, gud är uppfinnaren...

Kontrollera frågor och uppgifter

1. Vilka är de två huvudtyperna av modelleringsproblembeskrivning.

2. I den välkända "Problemboken" av G. Oster finns följande problem:

Den onda häxan arbetar outtröttligt och förvandlar 30 prinsessor till larver om dagen. Hur många dagar kommer det att ta henne att förvandla 810 prinsessor till larver? Hur många prinsessor per dag skulle behöva förvandlas till larver för att få jobbet gjort på 15 dagar?
Vilken fråga kan hänföras till typen av "vad kommer att hända om ...", och vilken - till typen av "hur man gör så att ..."?

3. Lista de mest kända målen med modellering.

4. Formalisera det lekfulla problemet från G. Osters "Problembok":

Från två bås belägna på ett avstånd av 27 km från varandra hoppade två stridslystna hundar ut mot varandra samtidigt. Den första körs med en hastighet av 4 km / h och den andra - 5 km / h.
Hur länge kommer kampen att börja?

5. Nämn så många egenskaper du kan för objektet "par skor". Komponera en informationsmodell av ett objekt för olika ändamål:
■ val av skor för vandring;
■ val av lämplig skokartong;
■ köp av skovårdskräm.

6. Vilka egenskaper hos en tonåring är väsentliga för en rekommendation om val av yrke?

7. Varför används datorn flitigt i simulering?

8. Nämn de verktyg för datormodellering som du känner till.

9. Vad är ett datorexperiment? Ge ett exempel.

10. Vad är modelltestning?

11. Vilka fel uppstår i modelleringsprocessen? Vad ska göras när ett fel hittas?

12. Vad är analysen av simuleringsresultat? Vilka slutsatser brukar man dra?

I definitionen som presenteras ovan har termen "experiment" en dubbel betydelse. Å ena sidan, i ett datorexperiment, såväl som i ett verkligt, studeras systemets svar på vissa förändringar i parametrar eller på yttre påverkan. Temperatur, densitet, sammansättning används ofta som parametrar. Och effekterna realiseras oftast genom mekaniska, elektriska eller magnetiska fält. Den enda skillnaden är att försöksledaren har att göra med ett verkligt system, medan i ett datorexperiment beaktas beteendet hos en matematisk modell av ett verkligt objekt. Å andra sidan gör förmågan att erhålla rigorösa resultat för väldefinierade modeller det möjligt att använda ett datorexperiment som en oberoende informationskälla för att testa förutsägelser av analytiska teorier och därför, i denna egenskap, spelar simuleringsresultaten roll av samma standard som experimentdata.

Av allt som sagts kan man se att det finns möjlighet till två vitt skilda tillvägagångssätt för att sätta upp ett datorexperiment, vilket beror på vilken typ av problem som ska lösas och därmed avgör valet av modellbeskrivning.

För det första kan beräkningar som använder MD- eller MC-metoderna eftersträva rent utilitaristiska mål relaterade till förutsägelsen av egenskaperna hos ett specifikt verkligt system och deras jämförelse med ett fysiskt experiment. I det här fallet kan intressanta förutsägelser göras och studier kan utföras under extrema förhållanden, till exempel vid ultrahöga tryck eller temperaturer, när ett verkligt experiment är omöjligt av olika anledningar eller kräver för stora materialkostnader. Datorsimulering är ofta det enda sättet att få den mest detaljerade ("mikroskopiska") informationen om beteendet hos ett komplext molekylärt system. Detta visades särskilt tydligt av numeriska experiment av dynamisk typ med olika biosystem: globulära proteiner i det naturliga tillståndet, DNA- och RNA-fragment. , lipidmembran. I ett antal fall gjorde de erhållna uppgifterna det nödvändigt att revidera eller väsentligt ändra de tidigare existerande idéerna om dessa objekts struktur och funktion. Samtidigt bör man komma ihåg att eftersom olika typer av valens- och icke-valenspotentialer används i sådana beräkningar, som endast approximerar atomernas verkliga interaktioner, bestämmer denna omständighet i slutändan graden av överensstämmelse mellan modellen och verkligheten. . Inledningsvis utförs lösningen av det omvända problemet, när potentialerna kalibreras enligt tillgängliga experimentella data, och först därefter används dessa potentialer för att få mer detaljerad information om systemet. Ibland kan parametrarna för interatomära interaktioner i princip hittas från kvantkemiska beräkningar utförda för enklare modellföreningar. Vid modellering med MD- eller MC-metoder behandlas en molekyl inte som en uppsättning elektroner och kärnor, som lyder kvantmekanikens lagar, utan som ett system av bundna klassiska partiklar - atomer. En sådan modell kallas mekanisk modell av en molekyl .

Målet med ett annat tillvägagångssätt för att sätta upp ett datorexperiment kan vara att förstå de allmänna (universella eller modell-invarianta) beteendemönstren för systemet som studeras, det vill säga mönster som endast bestäms av de mest typiska egenskaperna hos en given klass av objekt, men inte av detaljerna i den kemiska strukturen hos en enda förening. Det vill säga, i det här fallet har datorexperimentet som mål att upprätta funktionella relationer, och inte beräkningen av numeriska parametrar. Denna ideologi är tydligast närvarande i skalningsteorin för polymerer. Ur synvinkeln av detta tillvägagångssätt fungerar datormodellering som ett teoretiskt verktyg, som först och främst låter dig kontrollera slutsatserna av befintliga analytiska metoder för teorin eller komplettera deras förutsägelser. Denna interaktion mellan analytisk teori och datorexperiment kan vara mycket fruktbar när båda tillvägagångssätten lyckas använda identiska modeller. Det mest slående exemplet på sådana generaliserade modeller av polymermolekyler är den så kallade gallermodell . På grundval av detta har många teoretiska konstruktioner gjorts, särskilt relaterade till lösningen av det klassiska och i någon mening huvudproblemet med polymerernas fysikaliska kemi på effekten av bulkinteraktioner på konformationen och följaktligen på egenskaper hos en flexibel polymerkedja. Bulkinteraktioner förstås vanligtvis som kortdistansavstötande krafter som uppstår mellan enheter på avstånd längs kedjan när de närmar sig varandra i rymden på grund av slumpmässig böjning av makromolekylen. I gittermodellen betraktas en verklig kedja som en bruten bana som passerar genom noderna i ett regelbundet gitter av en given typ: kubisk, tetraedrisk, etc. Upptagna gitternoder motsvarar polymerenheter (monomerer), och de segment som förbinder dem motsvarar kemiska bindningar i skelettet av en makromolekyl. Förbudet mot självkorsningar av banan (eller, med andra ord, omöjligheten av samtidigt inträde av två eller flera monomerer i ett gitterställe) modellerar volymetriska interaktioner (Fig. 1). Det vill säga om, till exempel, om MC-metoden används och när en slumpmässigt vald länk förskjuts, den faller in i en redan upptagen nod, så kasseras en sådan ny konformation och tas inte längre med i beräkningen av systemparametrar av intresse. Olika kedjearrangemang på gittret motsvarar polymerkedjekonformationer. Enligt dem är de erforderliga egenskaperna genomsnittliga, till exempel avståndet mellan ändarna av kedjan R.

Studiet av en sådan modell gör det möjligt att förstå hur volyminteraktioner påverkar beroendet av rot-medelkvadrat-värdet på antalet länkar i kedjan N . kursvärde , som bestämmer medelstorleken på polymerspolen, spelar huvudrollen i olika teoretiska konstruktioner och kan mätas experimentellt; men det finns fortfarande ingen exakt analytisk formel för att beräkna beroendet på N i närvaro av bulkinteraktioner. Det är också möjligt att införa en extra attraktionsenergi mellan de länkpar som har fallit in i angränsande gitternoder. Genom att variera denna energi i ett datorexperiment är det särskilt möjligt att undersöka ett intressant fenomen som kallas "coil-globule"-övergången, när, på grund av krafterna från intramolekylär attraktion, en ovikt polymerspole komprimeras och förvandlas till en kompakt struktur - en kula som liknar en vätskemikroskopisk droppe. Att förstå detaljerna i en sådan övergång är viktigt för att utveckla de mest allmänna idéerna om förloppet av biologisk evolution som ledde till uppkomsten av klotformiga proteiner.

Det finns olika modifieringar av gittermodeller, till exempel de där längderna av bindningar mellan länkar inte har fasta värden, men kan ändras i ett visst intervall, vilket endast garanterar förbudet mot självkorsningar av kedjor, så här är det allmänt använd modell med "fluktuerande bindningar" är arrangerad. Alla gallermodeller har dock det gemensamt att de är det diskret, det vill säga antalet möjliga konformationer av ett sådant system är alltid ändligt (även om det kan vara ett astronomiskt värde även med ett relativt litet antal länkar i kedjan). Alla diskreta modeller har mycket hög beräkningseffektivitet, men kan som regel endast undersökas med Monte Carlo-metoden.

För vissa fall, använd kontinuerlig generaliserade modeller av polymerer som kan ändra konformation på ett kontinuerligt sätt. Det enklaste exemplet är en kedja som består av ett givet tal N solida kulor kopplade i serie med stela eller elastiska länkar. Sådana system kan studeras både med Monte Carlo-metoden och med den molekylära dynamikmetoden.

Experimentera

Experimentera(från lat. experimentum- test, erfarenhet) i den vetenskapliga metoden - en metod för att studera ett visst fenomen under kontrollerade förhållanden. Den skiljer sig från observation genom aktiv interaktion med föremålet som studeras. Vanligtvis utförs ett experiment som en del av en vetenskaplig studie och tjänar till att testa en hypotes, för att fastställa orsakssamband mellan fenomen. Experiment är hörnstenen i det empiriska förhållningssättet till kunskap. Poppers kriterium anger möjligheten att sätta upp ett experiment som den huvudsakliga skillnaden mellan en vetenskaplig teori och en pseudovetenskaplig. Ett experiment är en forskningsmetod som reproduceras under de beskrivna förhållandena ett obegränsat antal gånger, och ger ett identiskt resultat.

Experimentmodeller

Det finns flera experimentmodeller: Flawless experiment - en experimentmodell som inte är genomförbar i praktiken, som används av experimentella psykologer som standard. Denna term introducerades i experimentell psykologi av Robert Gottsdanker, författaren till den välkända boken Fundamentals of Psychological Experiment, som trodde att användningen av en sådan modell för jämförelse skulle leda till en mer effektiv förbättring av experimentella metoder och identifiering av ev. misstag vid planering och genomförande av ett psykologiskt experiment.

Slumpmässigt experiment (slumptest, slumpmässig erfarenhet) är en matematisk modell av ett motsvarande verkligt experiment, vars resultat inte kan förutsägas exakt. Den matematiska modellen måste uppfylla kraven: den måste vara adekvat och adekvat beskriva experimentet; helheten av uppsättningen observerade resultat inom ramen för den matematiska modellen i fråga bör bestämmas med strikt definierade fasta initiala data som beskrivs inom ramen för den matematiska modellen; det bör finnas en grundläggande möjlighet att utföra ett experiment med ett slumpmässigt utfall ett godtyckligt antal gånger med oförändrade indata; kravet måste bevisas eller hypotesen om den relativa frekvensens stokastiska stabilitet för varje observerat resultat, definierat inom ramen för den matematiska modellen, måste accepteras a priori.

Experimentet implementeras inte alltid som avsett, så en matematisk ekvation uppfanns för den relativa frekvensen av experimentimplementeringar:

Låt det bli något verkligt experiment och låt A beteckna resultatet som observerats inom ramen för detta experiment. Låt det finnas n experiment där resultatet A kan realiseras eller inte. Och låt k vara antalet realiseringar av det observerade resultatet A i n försök, förutsatt att de utförda försöken är oberoende.

Typer av experiment

fysiskt experiment

fysiskt experiment- ett sätt att känna naturen, som består i att studera naturfenomen under speciellt skapade förhållanden. Till skillnad från teoretisk fysik, som utforskar naturens matematiska modeller, är ett fysiskt experiment utformat för att utforska naturen själv.

Det är oenighet med resultatet av ett fysiskt experiment som är kriteriet för felaktigheten hos en fysikalisk teori, eller mer exakt, en teoris otillämplighet på världen omkring oss. Det omvända påståendet är inte sant: överensstämmelse med experiment kan inte vara ett bevis på teorins riktighet (tillämpbarhet). Det vill säga att huvudkriteriet för en fysikalisk teoris livsduglighet är verifiering genom experiment.

Helst bör experimentell fysik bara ge beskrivning experimentella resultat, utan några tolkningar. Men i praktiken är detta inte möjligt. Tolkningen av resultaten av ett mer eller mindre komplext fysiskt experiment bygger oundvikligen på det faktum att vi har en förståelse för hur alla delar av experimentupplägget beter sig. En sådan förståelse kan i sin tur inte annat än förlita sig på någon teori.

datorexperiment

Ett datorexperiment (numeriskt) är ett experiment på en matematisk modell av ett studieobjekt på en dator, vilket består i det faktum att enligt vissa parametrar i modellen beräknas dess andra parametrar och på grundval av detta, slutsatserna är ritas om egenskaperna hos objektet som beskrivs av den matematiska modellen. Denna typ av experiment kan endast villkorligt tillskrivas ett experiment, eftersom det inte speglar naturfenomen, utan bara är en numerisk implementering av en matematisk modell skapad av en person. Ja, vid felaktigheter i matt. modell - dess numeriska lösning kan vara strikt avvikande från det fysiska experimentet.

Psykologiskt experiment

Ett psykologiskt experiment är ett experiment som utförs under speciella förhållanden för att erhålla ny vetenskaplig kunskap genom en riktad intervention av en forskare i ämnets liv.

tankeexperiment

Ett tankeexperiment inom filosofi, fysik och vissa andra kunskapsområden är en typ av kognitiv aktivitet där strukturen av ett verkligt experiment återges i fantasin. Som regel genomförs ett tankeexperiment inom ramen för en viss modell (teori) för att kontrollera dess konsistens. När man genomför ett tankeexperiment, motsägelser i modellens interna postulat eller deras oförenlighet med externa (i förhållande till denna modell) principer som anses ovillkorligt sanna (till exempel med lagen om energibevarande, kausalitetsprincipen, etc. .) kan avslöjas.

Kritiskt experiment

Ett kritiskt experiment är ett experiment vars resultat entydigt avgör om en viss teori eller hypotes är korrekt. Detta experiment bör ge ett förutsagt resultat som inte kan härledas från andra, allmänt accepterade hypoteser och teorier.

Litteratur

• Vizgin V. P. Hermeticism, experiment, mirakel: tre aspekter av den moderna vetenskapens tillkomst // vetenskapens filosofiska och religiösa ursprung. M., 1997. S.88-141.

Länkar

Wikimedia Foundation. 2010 .

Synonymer:

Se vad "Experiment" är i andra ordböcker:

- (av lat. experimentum test, erfarenhet), en kognitionsmetod, med vars hjälp under kontrollerade och kontrollerade förhållanden verklighetsfenomenen undersöks. E. genomförs utifrån en teori som bestämmer problemformuleringen och dess tolkning ... ... Filosofisk uppslagsverk

experimentera- Ett erbjudande till en person av egen fri vilja att leva, uppleva, känna sig relevant för honom eller gå på ett medvetet experiment, som återskapar en kontroversiell eller tveksam situation för honom under terapiförloppet (främst i symbolisk form). Kortfattat vettigt ...... Stor psykologisk uppslagsbok

Ingen tror på en hypotes, förutom den som lade fram den, men alla tror på experimentet, förutom den som utförde den. Ingen mängd experiment kan bevisa en teori; men ett experiment räcker för att motbevisa det ... Konsoliderad encyklopedi av aforismer

Experimentera- (Latin experimentum - son, baykau, tәzhіribe) - nәrseler (objektiler) män құbylystardy baқylanylatyn zhane baskarylatyn zhagdaylarda zertteytіn empiriyalyқ tanym adisi. Experiment adіs retіnde Zhana zamanda payda boldy (G.Galilei). Onyns filosofi... Filosofiska terminderdin sozdigі

- (lat.). Första erfarenheten; allt som naturvetaren använder för att tvinga naturkrafterna att agera under vissa förhållanden, som om de på konstgjord väg orsakar de företeelser som påträffas i den. Ordbok över främmande ord som ingår i den ryska ... ... Ordbok med främmande ord på ryska språket

Se erfarenhet ... Ordbok med ryska synonymer och uttryck liknande betydelse. under. ed. N. Abramova, M.: Ryska ordböcker, 1999. experiment, test, erfarenhet, test; forskning, verifiering, försök Ordbok för ryska synonymer ... Synonym ordbok

EXPERIMENT, experiment, make. (lat. experimentum) (bok). Vetenskapligt levererad erfarenhet. Kemiskt experiment. Fysiskt experiment. Gör ett experiment. || I allmänhet en upplevelse, ett försök. Utbildningsarbete tillåter inte riskfyllda experiment ... ... Ushakovs förklarande ordbok

Experimentera- Experiment ♦ Experimentering Aktiv, avsiktlig erfarenhet; önskan att inte så mycket höra verkligheten (upplevelsen) och inte ens så mycket att lyssna på den (observation), utan att försöka ställa frågor till henne. Det finns ett speciellt koncept ... ... Philosophical Dictionary of Sponville

Se undersökningsexperiment, kriminaltekniskt experiment... Lagordbok

- (ur latinets experimentum test, erfarenhet), en kognitionsmetod, med vars hjälp natur- och samhällsfenomen studeras under kontrollerade och kontrollerade förhållanden. Ofta är experimentets huvuduppgift att testa teorins hypoteser och förutsägelser (så ... ... Modern Encyclopedia

- (från lat. experimentum test, erfarenhet) studie, studie av ekonomiska fenomen och processer genom deras reproduktion, modellering under artificiella eller naturliga förhållanden. Möjligheterna för ekonomiska experiment är mycket begränsade, eftersom ... ... Ekonomisk ordbok

Böcker

• Experiment, Stanislav Vladimirovich Borzykh, Denna bok ger en titt på vad som händer oss nu och vad som hände för en tid sedan från en ny vinkel. Faktum är att vi bevittnar ett experiment i kolossal skala, ... Kategori: Biologi Utgivare:

Hem > Föreläsning

FÖRELÄSNING

Ämne: Datorexperiment. Analys av simuleringsresultat

För att ge liv åt nya designutvecklingar, för att introducera nya tekniska lösningar i produktionen eller för att testa nya idéer behövs ett experiment. Ett experiment är ett experiment som utförs med ett objekt eller en modell. Det består i att utföra vissa åtgärder och bestämma hur det experimentella provet reagerar på dessa åtgärder. I skolan genomför du experiment i lektionerna biologi, kemi, fysik, geografi. Experiment genomförs när man testar nya produktprover på företag. Vanligtvis används en specialdesignad uppställning för detta ändamål, vilket gör det möjligt att genomföra ett experiment i laboratorieförhållanden, eller så utsätts den verkliga produkten i sig för alla typer av tester (ett fullskaligt experiment). För att till exempel studera en enhets eller sammansättnings funktionsegenskaper placeras den i en termostat, fryses in i speciella kammare, testas på vibrationsstativ, tappas etc. Det är bra om det är en ny klocka eller en dammsugare – det är det inte en stor förlust vid förstörelse. Och om ett plan eller en raket? Laboratorie- och fullskaliga experiment kräver stora materialkostnader och tid, men deras värde är ändå mycket stort. Med utvecklingen av datorteknik har en ny unik forskningsmetod dykt upp - datorexperiment. I många fall har datormodellstudier kommit för att hjälpa, och ibland även för att ersätta, experimentella prover och testbänkar. Stadiet för att genomföra ett datorexperiment omfattar två steg: att upprätta en experimentplan och att genomföra en studie. Experimentplan Experimentplanen ska tydligt återspegla arbetssekvensen med modellen. Den första punkten i en sådan plan är alltid att testa modellen. Testning - bearbetakontrollerkorrekthetbyggdmodeller. Testa - utrustningförstadata, tillåterdefinierabra-elakhetbyggnadmodeller. För att vara säker på att de erhållna simuleringsresultaten är korrekta är det nödvändigt:

kontrollera den utvecklade algoritmen för att bygga modellen; se till att den konstruerade modellen korrekt återspeglar originalets egenskaper, som beaktades i simuleringen.

För att kontrollera riktigheten av modellkonstruktionsalgoritmen används en testuppsättning med initiala data, för vilka det slutliga resultatet är känt i förväg eller förutbestämt på annat sätt. Till exempel, om du använder beräkningsformler i modellering, måste du välja flera alternativ för initialdata och beräkna dem "manuellt". Dessa är testobjekt. När modellen är byggd testar man med samma indata och jämför resultatet av simuleringen med slutsatserna som erhållits genom beräkning. Om resultaten matchar, utvecklas algoritmen korrekt, om inte är det nödvändigt att leta efter och eliminera orsaken till deras avvikelse. Testdata kanske inte alls speglar den verkliga situationen och kanske inte innehåller semantiskt innehåll. De resultat som erhålls under testprocessen kan dock få dig att tänka på att ändra den ursprungliga informations- eller teckenmodellen, främst i den del av den där det semantiska innehållet är fastställt. För att säkerställa att den konstruerade modellen återspeglar originalets egenskaper, som beaktades i simuleringen, är det nödvändigt att välja ett testexempel med verkliga källdata. Utföra forskning Efter testning, när du har förtroende för riktigheten av den konstruerade modellen, kan du gå direkt vidare till att bedriva forskning. Planen bör innehålla ett experiment eller en serie experiment som uppfyller målen för simuleringen. Varje experiment måste åtföljas av en förståelse för resultaten, som fungerar som grund för att analysera resultaten av modellering och fatta beslut. Schemat för att förbereda och genomföra ett datorexperiment visas i figur 11.7.

MODELLTEST

EXPERIMENTPLAN

FORSKAR

ANALYS AV RESULTATEN

Ris. 11.7. Schema för ett datorexperiment

Analys av simuleringsresultat

Det slutliga målet med modellering är att fatta ett beslut, som bör utvecklas på grundval av en omfattande analys av resultaten av modelleringen. Detta skede är avgörande - antingen fortsätter du studien, eller avslutar. Figur 11.2 visar att resultatanalyssteget inte kan existera autonomt. De slutsatser som erhålls bidrar ofta till ytterligare en serie experiment, och ibland till en förändring av uppgiften. Grunden för att utveckla en lösning är resultaten av tester och experiment. Om resultaten inte stämmer överens med målen för uppgiften betyder det att misstag gjordes i tidigare skeden. Detta kan antingen vara en felaktig uppgift om problemet, eller en alltför förenklad konstruktion av en informationsmodell, eller ett misslyckat val av metod eller modelleringsmiljö, eller ett brott mot tekniska metoder när man bygger en modell. Om sådana fel hittas, då modelljustering, det vill säga en återgång till ett av de föregående stegen. Processen upprepas tills resultaten av experimentet uppfyller målen för simuleringen. Det viktigaste att komma ihåg är att det upptäckta felet också är resultatet. Som ordspråket säger, man lär sig av sina misstag. Den store ryske poeten A. S. Pushkin skrev också om detta: Åh, hur många underbara upptäckter som förbereds för oss av upplysningens Ande och erfarenhet, son till svåra misstag, Och geni, vän av paradoxer, Och slumpen, gud uppfinnaren. ..

Kontrollerafrågorochuppgifter

Vilka är de två huvudtyperna av problemformuleringsmodellering.

I den välkända "Problemboken" av G. Oster finns följande problem:

Den onda häxan arbetar outtröttligt och förvandlar 30 prinsessor till larver om dagen. Hur många dagar kommer det att ta henne att förvandla 810 prinsessor till larver? Hur många prinsessor per dag kommer att behöva förvandlas till larver för att klara av arbetet på 15 dagar? Vilken fråga kan hänföras till typen av "vad kommer att hända om ...", och vilken - till typen av "hur man gör så att ..."?

Lista de mest kända målen med modellering. Formalisera det lekfulla problemet från G. Osters "Problembok":

Från två bås belägna på ett avstånd av 27 km från varandra hoppade två stridslystna hundar ut mot varandra samtidigt. Den första körs med en hastighet av 4 km / h och den andra - 5 km / h. Hur länge kommer kampen att börja? Hus: §11.4, 11.5.

1. Begreppet information

   Dokumentera

   Världen omkring oss är väldigt mångfald och består av ett stort antal sammanlänkade föremål. För att hitta din plats i livet, från tidig barndom, tillsammans med dina föräldrar och sedan med dina lärare, steg för steg, kommer du att lära dig all denna mångfald.

2. Produktionsredaktör V. Zemskikh Redaktör N. Fedorova Konstredaktör R. Yatsko Layout T. Petrova Korrekturläsare M. Odinokova, M. Schukina bbk 65. 290-214

   bok

   Ш39 Organisationskultur och ledarskap / Per. från engelska. ed. V. A. Spivak. - St Petersburg: Peter, 2002. - 336 s: ill. - (Serien "Theory and practice of management").

3. Utbildnings- och metodkomplex inom disciplinen: "Marknadsföring" specialitet: 080116 "Matematiska metoder i ekonomi"

   Utbildnings- och metodkomplex

   Yrkesverksamhetsområde: analys och modellering av ekonomiska processer och objekt på mikro-, makro- och global nivå; övervakning av ekonomiska och matematiska modeller; prognoser, programmering och optimering av ekonomiska system.

Kommunal autonom

läroanstalt

"Grundskola nr 31"

Syktyvkar

datorexperiment

i gymnasiefysik.

Reiser E.E.

Republiken Komi

G .Syktyvkar

INNEHÅLL:

jag. Introduktion

II. Typer och roll av experiment i inlärningsprocessen.

III. Använda en dator i fysiklektionerna.

V. Slutsats.

VI. Ordlista.

VII. Bibliografi.

VIII. Applikationer:

1. Klassificering av ett fysiskt experiment

2. Resultaten av undersökningen av elever

3. Använda en dator under ett demonstrationsexperiment och lösa problem

4. Använda en dator under evenemanget

Laborationer och praktiskt arbete

DATOREXPERIMENT

PÅ GYMNASIESKOLAN I FYSIK.

…Det är dags att beväpna

lärare med ett nytt verktyg,

och resultatet direkt

påverka framtida generationer.

Potashnik M.M.,

Akademiker vid Ryska utbildningsakademin, doktor i pedagogiska vetenskaper, professor.

jag. Introduktion.

Fysik är en experimentell vetenskap. Vetenskaplig verksamhet börjar med observation. En observation är mest värdefull när de förhållanden som påverkar den är noggrant kontrollerade. Detta är möjligt om förhållandena är konstanta, kända och kan ändras efter observatörens önskemål. Observation som utförs under strikt kontrollerade förhållanden kallas experimentera. Och de exakta vetenskaperna kännetecknas av en organisk koppling mellan observationer och experiment med bestämning av de numeriska värdena för egenskaperna hos de föremål och processer som studeras.

Experimentet är den viktigaste delen av vetenskaplig forskning, vars grund är ett vetenskapligt etablerat experiment med noggrant beaktade och kontrollerade förhållanden. Själva ordet experiment kommer från latinet experimentum- test, erfarenhet. I det vetenskapliga språket och forskningsarbetet används begreppet "experiment" vanligtvis i en mening som är gemensam för en rad närliggande begrepp: erfarenhet, målmedveten observation, reproduktion av kunskapsobjektet, organisation av särskilda villkor för dess existens, verifiering av förutsägelse. Detta koncept inkluderar den vetenskapliga miljön för experiment och observation av fenomenet som studeras under exakt beaktade förhållanden som gör det möjligt att följa fenomenens förlopp och återskapa det varje gång dessa förhållanden upprepas. Begreppet "experiment" i sig betyder en handling som syftar till att skapa förutsättningar för genomförandet av ett visst fenomen och om möjligt det vanligaste, d.v.s. okomplicerad av andra fenomen. Huvudsyftet med experimentet är att identifiera egenskaperna hos de föremål som studeras, testa giltigheten av hypoteser och, på grundval av detta, en bred och djupgående studie av ämnet vetenskaplig forskning

InnanXVIIIi. när fysiken var en timmefilosofin, ansåg forskarna stockarvetenskapliga slutsatser är dess grund, och endasttankeexperiment kan vara fördem övertygande i bildandet av utsikternaniya på enheten av världen, den viktigaste fizic lagar. Galileo, vemmed rätta anses vara experimentens faderfysik, kunde inte bevisa något för sin samtid, utföra experiment medfallande bollar av olika massor från Pisanskyskrapa. "Galileos idé orsakade nedsättande kommentarer och förvirring."Tankeexperiment påanalys av beteendet hos tre kroppar lika med massasy, av vilka två var förbundna med nevesomy tråd, visade sig vara för hans kollegormer övertygande än direktnaturlig upplevelse.

På liknande sätt bevisade Galileo giltigheten av tröghetslagen med två lutande plan och kulor som rörde sig längs dem. I. Newton själv försökte underbygga de lagar som han kände till och upptäckte i sin bok "Mathematical Foundations of Natural Philosophy", genom att tillämpa Euklids schema, införa axiom och satser baserade på dem. På omslaget till denna bok

avbildad jord, berg (G) och pistol ( P) (Figur 1).

Kanonen avfyrar kanonkulor som faller på olika avstånd från berget, beroende på deras initiala hastighet. Vid en viss hastighet beskriver kärnan ett fullständigt varv runt jorden. Newton, med sin ritning, ledde till idén om möjligheten att skapa konstgjorda satelliter på jorden, som skapades flera århundraden senare.

I detta skede i utvecklingen av fysiken var ett tankeexperiment nödvändigt, eftersom på grund av bristen på nödvändiga instrument och teknisk bas var ett verkligt experiment omöjligt. Tankeexperiment användes både av D.K.Maxwell när man skapade ett system av grundläggande elektrodynamiska ekvationer (även om resultaten av fullskaliga experiment utförda tidigare av M.Faraday också användes), och av A. Einstein när man utvecklade relativitetsteorin.

Tankeexperiment är alltså en av komponenterna i utvecklingen av nya teorier. De flesta av de fysiska experimenten modellerades och utfördes till en början mentalt, och sedan verkliga. Nedan kommer vi att ge exempel på tankeexperiment som spelat en viktig roll i fysikens utveckling.

På 500-talet. FÖRE KRISTUS. filosofen Zeno skapade en logisk motsättning mellan verkliga fenomen och vad som kan erhållas genom logiska slutsatser. Han föreslog ett tankeexperiment där han visade att en pil aldrig skulle köra om en anka (Fig. 2).

G. Galileo tillgrep i sin vetenskapliga verksamhet resonemang baserade på sunt förnuft, med hänvisning till de så kallade "mentala experimenten". Aristoteles anhängare, som motbevisade Galileos idéer, citerade ett antal "vetenskapliga" argument. Galileo var dock en stor polemikmästare, och hans motargument visade sig vara obestridliga. Logiska resonemang för forskare från den eran var mer övertygande än experimentella bevis.

"Krita" fysik, liksom andra metoder för att lära ut fysik som inte motsvarar den experimentella metoden att förstå naturen, började attackera den ryska skolan för 10–12 år sedan. Under den perioden sjönk nivån på tillhandahållandet av skolklassrum med utrustning under 20 % av den erforderliga nivån; branschen som tillverkade utbildningsutrustning slutade praktiskt taget fungera; den så kallade skyddade budgetposten "för utrustning", som endast kunde användas för sitt avsedda ändamål, försvann från skolans beräkningar. När den kritiska situationen realiserades ingick underprogrammet "Cabinet of Physics" i det federala programmet "Educational Technology". Som en del av programmet har produktionen av klassisk utrustning återställts och modern skolutrustning har utvecklats, inklusive med den senaste informations- och datortekniken. De mest radikala förändringarna har skett i utrustning för frontalarbete, tematiska uppsättningar av utrustning inom mekanik, molekylär fysik och termodynamik, elektrodynamik, optik har utvecklats och håller på att massproduceras (skolan har en komplett uppsättning av denna nya utrustning för dessa avsnitt).

Rollen och platsen för ett oberoende experiment i begreppet fysisk fostran har förändrats: ett experiment är inte bara ett sätt att utveckla praktiska färdigheter, det blir ett sätt att bemästra kognitionsmetoden. Datorn "brast" in i skollivet med en enorm hastighet.

Datorn öppnar nya vägar i utvecklingen av tänkandet och ger nya möjligheter till aktivt lärande. Att använda en dator för att hålla lektioner,

övningar, tester och laborationer samt framstegsrapporter blir effektivare och ett enormt informationsflöde är lättillgängligt. Användningen av en dator i fysiklektionerna hjälper också till att implementera principen om elevens personliga intresse av att bemästra materialet och många andra principer för utvecklingsutbildning.
Dock kan datorn enligt mig inte helt ersätta läraren. Läraren har förmågan att intressera eleverna, väcka deras nyfikenhet, vinna deras förtroende, han kan rikta deras uppmärksamhet mot vissa aspekter av ämnet som studeras, belöna deras ansträngningar och få dem att lära sig. Datorn kommer aldrig att kunna ta en sådan roll som lärare.

Utbudet av att använda datorn i fritidsarbete är också brett: det bidrar till utvecklingen av kognitivt intresse för ämnet, utökar möjligheten till självständigt kreativt sökande för de mest entusiastiska studenterna i fysik.

II. Typer och roll av experiment i inlärningsprocessen.

De huvudsakliga typerna av fysiska experiment:

Demo erfarenhet;

Frontala laborationer;

Fysisk verkstad;

Experimentell uppgift;

Hemexperimentarbete;

Datorassisterat experiment (nytt utseende).

Demoexperimentär en av komponenterna i ett pedagogiskt fysiskt experiment och är en reproduktion av fysiska fenomen av en lärare på ett demonstrationsbord med hjälp av speciella enheter. Det hänvisar till illustrativa empiriska metoder för undervisning. Rollen för ett demonstrationsexperiment i undervisningen bestäms av den roll som experimentet spelar inom fysik och naturvetenskap som en kunskapskälla och ett kriterium för dess sanning, och dess möjligheter att organisera elevernas pedagogiska och kognitiva aktivitet.

Värdet av demonstrationsfysikexperimentet är som följer:

Eleverna bekantar sig med den experimentella kognitionsmetoden i fysiken, med experimentets roll i fysisk forskning (som ett resultat bildar de en vetenskaplig världsbild);

Eleverna utvecklar vissa experimentella färdigheter: förmågan att observera fenomen, förmågan att lägga fram hypoteser, förmågan att planera ett experiment, förmågan att analysera resultat, förmågan att fastställa samband mellan storheter, förmågan att dra slutsatser, etc.

Demonstrationsexperimentet, som är ett sätt att visualisera, bidrar till att organisera elevernas uppfattning om utbildningsmaterial, dess förståelse och memorering; möjliggör yrkeshögskoleutbildning av studenter; främjar ett ökat intresse för studier av fysik och skapande av motivation för lärande. Men när läraren genomför ett demonstrationsexperiment, observerar eleverna endast passivt experimentet som läraren utför, medan de själva inte gör något med sina egna händer. Därför är det nödvändigt att ha ett oberoende experiment av studenter i fysik.

Undervisning i fysik kan inte endast presenteras i form av teoretiska lektioner, även om eleverna visas fysiska demonstrationsexperiment i klassrummet. Till alla typer av sensorisk perception är det nödvändigt att lägga till "arbeta med händerna" i klassrummet. Detta uppnås när eleverna fysiskt laboratorieexperiment när de själva monterar installationer, mäter fysiska mängder och utför experiment. Laboratoriestudier väcker stort intresse bland studenter, vilket är ganska naturligt, eftersom studenten i det här fallet lär sig om omvärlden utifrån sin egen erfarenhet och sina egna känslor.

Betydelsen av laborationer i fysik ligger i att eleverna bildar sig idéer om experimentets roll och plats i kognition. När de utför experiment utvecklar eleverna experimentella färdigheter, som inkluderar både intellektuella och praktiska färdigheter. Den första gruppen inkluderar förmågan att bestämma syftet med experimentet, lägga fram hypoteser, välja instrument, planera experimentet, beräkna fel, analysera resultaten, göra en rapport om utfört arbete. Den andra gruppen inkluderar förmågan att sätta ihop en experimentell uppsättning, observera, mäta, experimentera.

Dessutom ligger betydelsen av ett laboratorieexperiment i att eleverna när det utförs utvecklar så viktiga personliga egenskaper som noggrannhet i att arbeta med instrument; iakttagande av renlighet och ordning på arbetsplatsen, i de register som görs under experimentet, organisation, uthållighet för att uppnå resultat. De bildar en viss kultur av mentalt och fysiskt arbete.

- detta är en typ av praktiskt arbete när alla elever i klassen samtidigt utför samma typ av experiment med samma utrustning. Frontala laborationer utförs oftast av en grupp studenter som består av två personer, ibland är det möjligt att organisera individuellt arbete. Kontoret bör därför ha 15-20 uppsättningar instrument för frontala laborationer. Det totala antalet sådana enheter kommer att vara cirka tusen stycken. Namnen på de frontala laborationerna anges i läroplanen. Det finns många av dem, de tillhandahålls för nästan varje ämne i fysikkursen. Innan arbetet utförs avslöjar läraren elevernas beredskap för det medvetna utförandet av arbetet, bestämmer med dem dess syfte, diskuterar arbetets framsteg, reglerna för att arbeta med instrument, metoder för att beräkna mätfel. Frontala laborationer är inte särskilt komplexa till innehåll, är kronologiskt nära relaterat till det material som studeras och är vanligtvis utformat för en lektion. Beskrivningar av laborationer finns i skolböcker i fysik.

Fysisk verkstad genomförs i syfte att upprepa, fördjupa, utöka och generalisera de kunskaper som erhållits från olika ämnen i fysikkursen, utveckla och förbättra elevernas experimentella färdigheter genom att använda mer komplex utrustning, mer komplexa experiment, forma deras självständighet i att lösa problem relaterade till experimentet. Den fysiska workshopen är inte kopplad i tid med materialet som studeras, den hålls vanligtvis i slutet av läsåret, ibland i slutet av första och andra terminen och innehåller en serie experiment om ett visst ämne. Eleverna utför arbetet med en fysisk verkstad i en grupp på 2-4 personer med hjälp av olika utrustning; i följande klasser sker byte av arbete, som sker enligt ett särskilt uppgjort schema. Vid schemaläggning, ta hänsyn till antalet elever i klassen, antalet workshops, tillgången på utrustning. Två akademiska timmar avsätts för varje arbete i den fysiska verkstaden, vilket kräver införande av dubbla lektioner i fysik i schemat. Detta ger svårigheter. Av denna anledning, och på grund av bristen på nödvändig utrustning, praktiseras en timmes fysikworkshops. Det bör noteras att tvåtimmarsarbete är att föredra, eftersom arbetet i verkstaden är svårare än frontlaboratoriearbete, de utförs på mer sofistikerad utrustning och andelen elevers självständiga deltagande är mycket större än i fallet med frontala laboratoriearbete. För varje arbete ska läraren upprätta en instruktion som ska innehålla namn, syfte, förteckning över instrument och utrustning, en kort teori, en beskrivning av för elever okända instrument samt en arbetsplan. Efter avslutat arbete ska eleverna lämna in en rapport som ska innehålla arbetets namn, syftet med arbetet, en instrumentlista, ett diagram eller ritning av en installation, en arbetsutförandeplan, en resultattabell, formler av som värdena beräknades på, beräkning av mätfel, slutsatser. När man utvärderar elevernas arbete i verkstaden bör man ta hänsyn till deras förberedelser för arbetet, en rapport om arbetet, nivån på kompetensutveckling, förståelse för det teoretiska materialet, metoderna för experimentell forskning som används.

H och idag intresse förex perimentell uppgift dikterat ännu och orsaker till sociala och ekonomiskahimmel karaktär. I samband med den nuvarande "underfinansieringen" av skolan, mofysiskt och fysiskt åldrandebasen av skåp är just exen perimentell uppgift kan spelaför skolan, rollen som ett sidospår, somry kunna rädda det fysiska exexperiment. Detta garanteras av det fantastiskaen perfekt kombination av enkelhetmed seriös och djup fysik,som kan observeras på exemplet med de bästa exemplen på dessa uppgifter. organisk passform experimentelluppgifter i det traditionella undervisningsupplägg skolans fysikkursblir möjligt endast vid användning relevant

teknologi.

lära eleverna att självständigt utöka de kunskaper som erhållits under lektionen och förvärva nya, forma experimentella färdigheter genom användning av hushållsartiklar och hemgjorda apparater; utveckla intresse; ge feedback (resultaten som erhållits under IED kan vara ett problem som ska lösas i nästa lektion eller kan fungera som en konsolidering av materialet).

Alla ovanstående huvudsorter pedagogiskt fysiskt experiment måste nödvändigtvis kompletteras med ett experiment med hjälp av en dator, experimentella uppgifter, hemexperimentarbete. Möjligheter dator tillåta
variera villkoren för experimentet, designa självständigt modeller av installationer och observera deras arbete, bilda förmågan experimentellhantera datormodeller, utföra beräkningar automatiskt.

Ur vår synvinkel bör denna typ av experiment komplettera det pedagogiska experimentet i alla stadier av aktivitetsinlärning, eftersom det bidrar till utvecklingen av rumslig fantasi och kreativt tänkande.

III . Använda en dator i fysiklektionerna.

Fysik är en experimentell vetenskap. Studiet av fysik är svårt att föreställa sig utan laboratoriearbete. Tyvärr tillåter det fysiska laboratoriets utrustning inte alltid att utföra programmatiskt laboratoriearbete, det tillåter inte alls att introducera nytt arbete som kräver mer sofistikerad utrustning. En persondator kommer till undsättning, vilket gör att du kan utföra ganska komplext laboratoriearbete. I dem kan läraren efter eget gottfinnande ändra de initiala parametrarna för experimenten, observera hur själva fenomenet förändras som ett resultat, analysera vad han har sett och dra lämpliga slutsatser.

Skapandet av en persondator gav upphov till ny informationsteknik som avsevärt förbättrar kvaliteten på assimilering av information, snabbar upp tillgången till den och tillåter användningen av datorteknik inom olika områden av mänsklig aktivitet.

Skeptiker kommer att invända att en personlig multimediadator idag är för dyr för att utrusta gymnasieskolor med den. En persondator är dock framstegen, och, som ni vet, kan tillfälliga ekonomiska svårigheter inte stoppa framstegen (bromsa farten – ja, sluta – aldrig). För att hålla jämna steg med den nuvarande nivån på världscivilisationen bör den implementeras, om möjligt, i våra ryska skolor.

Så datorn förvandlas från en exotisk maskin till ett annat tekniskt sätt att undervisa, kanske det kraftfullaste och mest effektiva av alla tekniska medel som läraren hittills haft till sitt förfogande.

Det är välkänt att en gymnasiekurs i fysik innehåller avsnitt, vars studier och förståelse kräver ett utvecklat fantasitänkande, förmåga att analysera, jämföra. Först och främst talar vi om sådana sektioner som "Molekylär fysik", några kapitel av "Elektrodynamik", "Kärnfysik", "Optik" etc. Strängt taget, i alla avsnitt av en fysikkurs, kan du hitta kapitel som är svåra att förstå.

Som 14 års arbetslivserfarenhet visar, har eleverna inte de mentala färdigheterna som krävs för en djup förståelse av de fenomen och processer som beskrivs i dessa avsnitt. I sådana situationer kommer läraren till hjälp av moderna tekniska läromedel, och i första hand - en persondator.

Idén att använda en persondator för att modellera olika fysiska fenomen, demonstrera enheten och funktionsprincipen för fysiska enheter uppstod för flera år sedan, så snart datorteknik dök upp i skolan. Redan de första lektionerna med hjälp av en dator visade att med deras hjälp är det möjligt att lösa ett antal problem som alltid har funnits i undervisningen i skolfysik.

Låt oss lista några av dem. Många fenomen kan inte påvisas i ett skolfysikklassrum. Detta är till exempel fenomen i mikrokosmos, eller snabba processer, eller experiment med enheter som inte finns på kontoret. Som ett resultat upplever eleverna svårigheter att studera dem, eftersom de inte kan föreställa sig dem mentalt. Datorn kan inte bara skapa en modell av sådana fenomen, utan låter dig också ändra villkoren för processen, "rulla" med den hastighet som är optimal för assimilering.

Studiet av enheten och funktionsprincipen för olika fysiska enheter är en integrerad del av fysiklektionerna. Vanligtvis, när man studerar en viss enhet, demonstrerar läraren det, berättar principen för driften med hjälp av en modell eller ett diagram. Men ofta upplever eleverna svårigheter när de försöker föreställa sig hela kedjan av fysiska processer som säkerställer driften av en given enhet. Särskilda datorprogram gör det möjligt att "montera" enheten från enskilda delar, för att i dynamik reproducera de processer som ligger bakom principen för dess funktion med optimal hastighet. I det här fallet är flera "rullning" av animationen möjlig.

Naturligtvis kan datorn även användas i andra typer av lektioner: när man självständigt studerar nytt material, när man löser problem, under prov.

Det bör också noteras att användningen av datorer i fysiklektioner gör dem till en verklig kreativ process, gör att du kan implementera principerna för utvecklingsutbildning.

Några ord bör sägas om utvecklingen av datorlektioner. Vi är medvetna om mjukvarupaketen för "skola"-fysik som utvecklats vid Voronezh University, vid fysikavdelningen vid Moscow State University, och författarna har till sitt förfogande en elektronisk lärobok på en laserskiva "Physics in Pictures", som har blivit allmänt känd. De flesta av dem är gjorda professionellt, har vacker grafik, innehåller bra animationer, de är multifunktionella, med ett ord, de har många fördelar. Men för det mesta passar de inte in i konturerna av just denna lektion. Med deras hjälp är det omöjligt att uppnå alla mål som läraren har satt upp i lektionen.

Efter att ha genomfört de första datorlektionerna kom vi fram till att de kräver specialutbildning. Vi började skriva manus för sådana lektioner, organiskt "väva" in i dem både ett verkligt experiment och ett virtuellt (det vill säga implementerat på en bildskärm). Jag skulle särskilt vilja notera att simuleringen av olika fenomen inte på något sätt ersätter verkliga, "live" experiment, men i kombination med dem tillåter oss att förklara innebörden av vad som händer på en högre nivå. Erfarenheterna av vårt arbete visar att sådana lektioner väcker verkligt intresse bland eleverna, får alla att arbeta, även de barn som har svårt för fysik. Samtidigt ökar kunskapskvaliteten markant. Exempel på att använda dator i klassrummet som TCO kan fortsätta under lång tid.

Datorn används i stor utsträckning som en multiplikationsteknik för att testa elever och genomföra multivariata (var och en har sin egen uppgift) test. Hur som helst, med hjälp av sökprogram kan läraren hitta en hel del intressanta saker på Internet.

Datorn är en oumbärlig assistent i valfria klasser, när man utför praktiskt och laborativt arbete och löser experimentella problem. Eleverna använder den för att bearbeta resultaten av sina små forskningsuppgifter: de gör tabeller, bygger grafer, utför beräkningar, skapar enkla modeller av fysiska processer. Sådan användning av en dator utvecklar färdigheterna för självförvärv av kunskap, förmågan att analysera resultaten och formar fysiskt tänkande.

IV. Exempel på användning av dator i olika typer av experiment.

Datorn som en del av den pedagogiska experimentuppställningen används i olika skeden av lektionen och i nästan alla typer av experiment (ofta ett demonstrationsexperiment och laborationer).

Lektion "Materiens struktur" (demonstrationsexperiment)

Syfte: att studera materiens struktur i olika aggregationstillstånd, att identifiera några regelbundenheter i strukturen hos kroppar i gas, flytande och fast tillstånd.

När man förklarar nytt material används datoranimation för att visuellt demonstrera arrangemanget av molekyler i olika aggregattillstånd.

Datorn låter dig visa övergångsprocesserna från ett aggregationstillstånd till ett annat, en ökning av molekylernas rörelsehastighet med en ökning av temperaturen, diffusionsfenomenet, gastrycket.

Problemlösningslektion om ämnet: "Rörelse i vinkel mot horisonten."

Syfte: att studera ballistisk rörelse, dess tillämpning i vardagen.

Med hjälp av datoranimering går det att visa hur kroppens rörelsebana (höjd och flygomfång) förändras beroende på initialhastighet och infallsvinkel. Sådan användning av en dator gör att du kan göra detta på några minuter, vilket sparar tid för att lösa andra problem, sparar elever från att behöva rita en bild för varje problem (vilket de egentligen inte gillar att göra).

Modellen visar rörelsen hos en kropp som kastas i vinkel mot horisonten. Du kan ändra den initiala höjden, liksom modul och riktning för kroppens hastighet. I "Strobe"-läget visas hastighetsvektorn för den kastade kroppen och dess projektioner på de horisontella och vertikala axlarna på banan med jämna mellanrum.

Laborationer "Forskning av den isotermiska processen".

Syfte: Att experimentellt fastställa sambandet mellan tryck och volym av en gas vid konstant temperatur.

Arbetet åtföljs helt av en dator (namn, syfte, val av utrustning, arbetsordning, nödvändiga beräkningar). Objektet är luften i röret. Parametrar betraktas i två tillstånd: initial och komprimerad. Lämpliga beräkningar görs. Resultaten jämförs och en graf byggs upp enligt erhållna data.

Experimentellt problem: bestämning av pi genom vägning.

Syfte: att bestämma värdet av pi på olika sätt. Visa att det kan vara lika med 3,14 genom att väga.

För att utföra arbetet skärs en kvadrat och en cirkel ut av samma material så att cirkelns radie är lika med sidan av kvadraten, dessa figurer vägs. Genom förhållandet mellan cirkelns och kvadratens massor beräknas talet Pi.

Hemexperiment för att studera egenskaperna hos oscillerande rörelser.

Syfte: att konsolidera kunskapen som erhållits i lektionen om perioden och frekvensen av svängningar av en matematisk pendel.

En modell av en oscillerande pendel är gjord av improviserade medel (en liten kropp hängs på ett rep), för experimentet är det nödvändigt att ha en klocka med en sekundvisare. Efter att ha räknat 30 svängningar under en viss tid, beräknas perioden och frekvensen. Det är möjligt att utföra ett experiment med olika kroppar, efter att ha fastställt att vibrationsegenskaperna inte beror på kroppen. Och också, efter att ha experimenterat med en tråd av olika längder, kan du upprätta ett lämpligt förhållande. Alla hemresultat måste diskuteras i klassen.

Experimentellt problem: beräkning av arbete och kinetisk energi.

Syfte: att visa hur värdet av mekaniskt arbete och kinetisk energi beror på olika förhållanden i problemet.

Med hjälp av en dator avslöjas förhållandet mellan tyngdkraften (kroppsvikten), dragkraften, kraftpåläggningsvinkeln och friktionskoefficienten mycket snabbt.

Modellen illustrerar konceptet med mekaniskt arbete på exemplet med rörelsen av en stång på ett plan med friktion under inverkan av en yttre kraft riktad i någon vinkel mot horisonten. Genom att ändra modellens parametrar (stavens massa m, friktionskoefficient, modul och riktning för den verkande kraften F ), det är möjligt att spåra mängden arbete som utförs under stångens rörelse, friktionskraften och den yttre kraften. Se till i ett datorexperiment att summan av dessa arbeten är lika med stångens kinetiska energi. Observera att det arbete som utförs av friktionskraften MENär alltid negativ.

Liknande uppgifter kan användas för att kontrollera elevernas kunskaper. Datorn låter dig snabbt ändra parametrarna för problemet och därigenom skapa ett stort antal alternativ (fusk är uteslutet). Fördelen med detta arbete är en snabb kontroll. Arbetet kan omedelbart kontrolleras i närvaro av studenter. Eleverna får resultatet och kan utvärdera sina egna kunskaper.

Förberedelser inför tentamen.

Syfte: att lära barn att snabbt och korrekt svara på testfrågor.

Hittills har ett program utvecklats för att förbereda eleverna för det enhetliga provet. Den innehåller provuppgifter av olika komplexitetsnivåer i alla delar av skolans fysikkurs.

V. Slutsats.

Att undervisa i fysik i skolan innebär ett ständigt stöd av kursen med ett demonstrationsexperiment. Men i den moderna skolan är genomförandet av experimentellt arbete i fysik ofta svårt på grund av bristen på undervisningstid och bristen på modernt material och teknisk utrustning. Och även om laboratoriet på fysikkontoret är fullt utrustat med de nödvändiga instrumenten och materialen, kräver ett verkligt experiment mycket mer tid både för att förbereda och genomföra och för att analysera resultaten av arbetet. Samtidigt, på grund av dess särdrag (betydande mätfel, tidsgränser för lektionen etc.) ett verkligt experiment inser ofta inte sitt huvudsakliga syfte - att tjäna som en källa till kunskap om fysiska mönster och lagar. Alla avslöjade beroenden är bara ungefärliga, ofta överstiger det korrekt beräknade felet de uppmätta värdena själva.

Ett datorexperiment kan komplettera den "experimentella" delen av fysikkursen och avsevärt öka lektionernas effektivitet. När du använder det kan du isolera det viktigaste i fenomenet, skära av sekundära faktorer, identifiera mönster, upprepade gånger utföra ett test med variabla parametrar, spara resultaten och återgå till din forskning vid en lämplig tidpunkt. Dessutom kan ett mycket större antal experiment utföras i datorversionen. Denna typ av experiment implementeras med hjälp av en datormodell av en viss lag, fenomen, process, etc. Att arbeta med dessa modeller öppnar enorma kognitiva möjligheter för eleverna, vilket gör dem inte bara till observatörer, utan också till aktiva deltagare i experimenten.

I de flesta interaktiva modeller finns alternativ för att ändra de initiala parametrarna och villkoren för experiment över ett brett spektrum, variera deras tidsskala, samt modellera situationer som inte är tillgängliga i verkliga experiment.

En annan positiv punkt är att datorn ger en unik, inte implementerad i ett verkligt fysiskt experiment, förmågan att visualisera inte ett verkligt naturfenomen, utan dess förenklade teoretiska modell, som gör att du snabbt och effektivt kan hitta de huvudsakliga fysiska mönstren för de observerade fenomen. Dessutom kan eleven observera konstruktionen av motsvarande grafiska beroenden samtidigt med experimentets gång. Ett grafiskt sätt att visa simuleringsresultat gör det lättare för eleverna att tillgodogöra sig stora mängder mottagen information. Sådana modeller är av särskilt värde, eftersom elever som regel har betydande svårigheter att konstruera och läsa grafer.

Det är också nödvändigt att ta hänsyn till att inte alla processer, fenomen, historiska experiment inom fysik kan föreställas av en student utan hjälp av virtuella modeller (till exempel Carnot-cykeln, modulering och demodulering, Michelsons experiment om att mäta hastigheten på ljus, Rutherfords experiment, etc.). Interaktiva modeller låter studenten se processerna i en förenklad form, föreställa sig installationsscheman, göra experiment som i allmänhet är omöjliga i verkligheten, till exempel att styra driften av en kärnreaktor.

Redan idag finns det ett antal pedagogiska mjukvaruverktyg (PPS), i en eller annan form innehållande interaktiva modeller inom fysik. Tyvärr är ingen av dem inriktad direkt på skolansökan. Vissa modeller är överbelastade med möjlighet att ändra parametrar på grund av fokus på tillämpning vid universitet, i andra program är den interaktiva modellen endast ett element som illustrerar huvudmaterialet. Dessutom är modellerna utspridda över olika PPP. Till exempel är "Physics in Pictures" av "Physicon", som är den mest optimala för att genomföra ett frontal datorexperiment, byggd på föråldrade plattformar och har inte stöd för användning i lokala nätverk. Annan lärarpersonal, som "Öppen fysik" från samma företag, innehåller samtidigt med modellerna ett stort utbud av informationsmaterial som inte kan stängas av under lektionens arbete. Allt detta komplicerar i hög grad valet och användningen av datormodeller när man genomför fysiklektioner i en gymnasieskola.

Huvudsaken är att för en effektiv tillämpning av ett datorexperiment krävs lärare, speciellt inriktad att använda i gymnasiet. På senare tid har det funnits en trend mot att skapa specialiserad lärarpersonal för skolan inom ramen för federala projekt, såsom tävlingar för pedagogiska mjukvaruutvecklare som anordnas av National Training Foundation. Kanske kommer vi under de kommande åren att se lärare som heltäckande stödjer ett datorexperiment i en fysikkurs på gymnasiet. Alla dessa ögonblick försökte jag avslöja i mitt arbete.

VI. Ordlista.

Experimenteraär en sensorisk-objektiv aktivitet inom vetenskapen.

fysiskt experiment- detta är observationen och analysen av de studerade fenomenen under vissa förhållanden, vilket gör att du kan följa fenomenens förlopp och återskapa det varje gång under fasta förhållanden.

Demonstration– Det här är ett fysiskt experiment, som representerar fysiska fenomen, processer, mönster, uppfattade visuellt.

Frontala laborationer- en typ av praktiskt arbete som utförs under det studerade programmaterialet, då alla elever i klassen samtidigt utför samma typ av experiment med samma utrustning.

Fysisk verkstad- praktiskt arbete utfört av studenter i slutet av kursens föregående avsnitt (eller i slutet av året), på mer sofistikerad utrustning, med en större grad av självständighet än i frontala laborationer.

Hemexperimentarbete- det enklaste oberoende experimentet som utförs av elever hemma, utanför skolan, utan direkt vägledning från läraren.

Experimentella problem- uppgifter där experimentet fungerar som ett sätt att bestämma några initiala kvantiteter som är nödvändiga för lösningen; ger ett svar på den fråga som ställs i den eller är ett sätt att verifiera de beräkningar som gjorts enligt villkoret.

VII. Bibliografi:

1. Bashmakov L.I., S.N. Pozdnyakov, N.A. Reznik "Informationsinlärningsmiljö", St. Petersburg: "Ljus", s.121, 1997.

2 Belosotsky P.I., G.Yu. Maksimova, N.N. Gomulina "Datorteknik: en modern lektion i fysik och astronomi". Tidningen "Fysik" nr 20, sid. 3, 1999.

3. Burov V.A. "Demonstrationsexperiment i fysik på gymnasiet". Moskva upplysningen 1979

4. Butikov E.I. Grunderna i klassisk dynamik och datorsimulering. Material från den 7:e vetenskapliga och metodologiska konferensen, Academic Gymnasium, St. Petersburg - Old Peterhof, sid. 47, 1998.

5. Vinnitsky Yu.A., G.M. Nurmukhamedov "Datorexperiment under fysik i gymnasiet." Tidskrift "Fysik i skolan" nr 6, sid. 42, 2006.

6. Golelov A.A. Begrepp av modern naturvetenskap: lärobok. Verkstad. - M .: Humanitarian Publishing Center VLADOS, 1998

7. Kavtrev A.F. "Metoder för att använda datormodeller i fysiklektioner". Femte internationella konferensen "Physics in the system of modern education" (FSSO-99), abstracts, volym 3, St. Petersburg: "Publishment House of the Russian State Pedagogical University uppkallat efter A. I. Herzen", sid. 98-99, 1999.

8. Kavtrev A.F. "Datormodeller i skolans fysikkurs". Tidskrift "Computer tools in education", St Petersburg: "Informatization of education", 12, sid. 41-47, 1998.

9. Teori och metoder för undervisning i fysik i skolan. Allmänna problem. Redigerad av S.E. Kameneykogo, N.S. Purysheva. M: "Akademin", 2000

10. Trofimova T.I. "Kurs i fysik", red. "Högstadiet", M., 1999

11. Chirtsov A.S. Informationsteknik i undervisning i fysik. Tidskrift "Computer tools in education", St Petersburg: "Informatization of education", 12, sid. Z, 1999.

Ansökan nr 1

Klassificering av ett fysiskt experiment

Applikation №2

Resultaten av undersökningen av studenter.

Bland eleverna i årskurserna 5, 6, 7 och 11 genomfördes en undersökning om följande frågor:

Vilken roll spelar experiment för dig i fysikstudier?

Programmet har 107 modeller som kan användas för att förklara nytt material och lösa experimentella problem. Jag vill ge några exempel som jag använder i mina lektioner.

Fragment av lektionen ”Kärnreaktioner. Kärnfission.

Syfte: att forma begreppen för en kärnreaktion, att visa deras mångfald. Utveckla en förståelse för kärnan i dessa processer.

Datorn används för att förklara nytt material för en mer visuell demonstration av processerna som studeras, gör att du snabbt kan ändra reaktionsförhållandena, gör det möjligt att återgå till de tidigare förhållandena.


Denna modell visar

olika typer av kärnkraftsomvandlingar.

Kärnomvandlingar sker till följd av

processer av radioaktivt sönderfall av kärnor, och

på grund av kärnreaktioner, åtföljd

fission eller fusion av kärnor.

De förändringar som sker i kärnorna kan brytas ner

i tre grupper:

1. förändring av en av nukleonerna i kärnan;

   omstrukturering av kärnans inre struktur;

   omarrangemang av nukleoner från en kärna till en annan.

Den första gruppen inkluderar olika typer av beta-sönderfall, när en av neutronerna i kärnan förvandlas till en proton eller vice versa. Den första (mer frekventa) typen av beta-sönderfall inträffar med emission av en elektron och en elektron antineutrino. Den andra typen av beta-sönderfall sker antingen genom att sända ut en positron och en elektronneutrino, eller genom att fånga en elektron och emittera en elektronneutrino (en elektron fångas upp från ett av elektronskalen närmast kärnan). Observera att i ett fritt tillstånd kan en proton inte sönderfalla till en neutron, en positron och en elektronneutrino - detta kräver ytterligare energi som den tar emot från kärnan. Den totala energin i kärnan minskar dock när en proton omvandlas till en neutron under beta-sönderfall. Detta beror på en minskning av energin från Coulomb-repulsionen mellan protonerna i kärnan (som det finns färre av).

Den andra gruppen bör inkludera gammasönderfall, där kärnan, ursprungligen i ett exciterat tillstånd, dumpar överskottsenergi och avger ett gammakvantum. Den tredje gruppen inkluderar alfasönderfall (emission av en alfapartikel från den ursprungliga kärnan - kärnan i en heliumatom, bestående av två protoner och två neutroner), kärnklyvning (absorption av en neutron av kärnan följt av sönderfall till två lättare kärnor och emission av flera neutroner) och kärnsyntes (när, som ett resultat av en kollision av två lätta kärnor, en tyngre kärna bildas och eventuellt lätta fragment eller enskilda protoner eller neutroner finns kvar).

Observera att under alfasönderfall upplever kärnan rekyl och skiftar märkbart i motsatt riktning mot riktningen för alfapartikelutsläpp. Samtidigt är rekylen under beta-sönderfall mycket mindre och märks inte alls i vår modell. Detta beror på det faktum att massan av en elektron är tusentals (och till och med hundratusentals gånger - för tunga atomer) mindre än massan av kärnan.

Fragment av lektionen "Kärnreaktor"

Syfte: att bilda idéer om strukturen hos en kärnreaktor, att demonstrera dess funktion med hjälp av en dator.


Datorn låter dig ändra villkoren

reaktioner i reaktorn. Ta bort inskriptionerna

du kan testa elevernas kunskaper om strukturen

reaktor, visa förhållanden under vilka

en explosion är möjlig.

En kärnreaktor är en anordning

utformad för att omvandla energi

atomkärnan till elektrisk energi.

Kärnan i reaktorn innehåller radioaktivt

ämne (vanligtvis uran eller plutonium).

Den energi som frigörs på grund av a - sönderfallet av dessa

atomer, värmer vattnet. Den resulterande vattenångan rusar in i ångturbinen; När den roterar genereras en elektrisk ström i generatorn. Varmt vatten, efter lämplig rengöring, hälls i en närliggande damm; kallt vatten kommer in i reaktorn därifrån. Ett speciellt förseglat hölje skyddar miljön från dödlig strålning.

Speciella grafitstavar absorberar snabba neutroner. Med deras hjälp kan du kontrollera reaktionens förlopp. Tryck på "Höj"-knappen (detta kan endast göras om pumparna som pumpar kallvatten i reaktorn är påslagna) och slå på "Processvillkor". Efter att stavarna har höjts börjar en kärnreaktion. Temperatur T inuti reaktorn kommer att stiga till 300 ° C, och vattnet kommer snart att börja koka. Tittar man på amperemetern i skärmens högra hörn kan man se att reaktorn har börjat generera elektricitet. Genom att trycka tillbaka stavarna kan du stoppa kedjereaktionen.

Ansökan nr 4

Användning av en dator vid utförandet av laboratoriearbete och fysisk träning.

Det finns 4 CD-skivor med utveckling av 72 laborationer som underlättar lärarens arbete, gör lektionerna mer intressanta och moderna. Dessa utvecklingar kan användas när man genomför en fysisk workshop, eftersom. några av dem ligger utanför läroplanens räckvidd. Här är några exempel. Namn, syfte, utrustning, steg-för-steg utförande av arbetet - allt detta projiceras på skärmen med hjälp av en dator.


Laboratoriearbete: "Forskning av den isobariska processen."

Syfte: att experimentellt fastställa sambandet mellan volym och

temperatur hos en gas med en viss massa i dess olika

stater.

Utrustning: bricka, tub - tank med två kranar,

termometer, kalorimeter, måttband.

Studieobjektet är luften i röret -

tank. I initialtillståndet bestäms dess volym av

längden på rörets inre hålighet. Röret placeras spole för spole i kalorimetern, toppventilen är öppen. Vatten 55 0 - 60 0 C hälls i kalorimetern. Bildandet av bubblor observeras. De kommer att bildas tills temperaturen på vattnet och luften i röret är lika. Temperaturen mäts med en laboratorietermometer. Luften överförs till det andra tillståndet genom att hälla kallt vatten i kalorimetern. Efter att termisk jämvikt har upprättats, mäts vattnets temperatur. Volymen i det andra tillståndet mäts genom dess längd i röret (ursprunglig längd minus längden på det inkommande vattnet).

Genom att känna till parametrarna för luft i två tillstånd etableras ett samband mellan förändringen i dess volym och förändringen i temperatur vid konstant tryck.

Lektion - workshop: ”Mätning av ytspänningskoefficienten.

Syfte: att utarbeta en av metoderna för att bestämma ytspänningskoefficienten.

Utrustning: våg, bricka, glas, droppare med vatten.

Forskningsobjektet är vatten. Vågen förs i arbetsläge, balanserad. De används för att bestämma glasets massa. Cirka 60 - 70 droppar vatten droppar från askkoppen i glaset. Bestäm massan av ett glas vatten. Massskillnaden används för att bestämma massan av vatten i glaset. Genom att veta antalet droppar kan du bestämma massan av en droppe. Diametern på dropphålet anges på dess kapsel. Formeln beräknar vattnets ytspänningskoefficient. Jämför det erhållna resultatet med tabellvärdet.

För starka elever kan du erbjuda att genomföra ytterligare experiment med vegetabilisk olja.